Une équipe d'ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego tente de remplacer les antennes paraboliques traditionnelles, encombrantes et à rotation mécanique, des stations terrestres de satellite par de petites antennes planaires distribuées, ce qui devrait améliorer considérablement les capacités de transmission de données par satellite tout en réduisant les coûts. Le système de recherche, appelé « ArrayLink », fonctionne ensemble en distribuant plusieurs antennes multiéléments de la taille d'un ordinateur portable sur les toits, les tours de communication et d'autres bâtiments afin de fournir une méthode d'accès au sol plus flexible et évolutive pour les satellites en orbite terrestre basse, de plus en plus encombrés.
Bien que les satellites eux-mêmes aient connu un développement rapide au cours de la dernière décennie, passant de grands satellites de communication de plusieurs tonnes à de petits satellites en orbite terrestre basse hautement intégrés et définissables par logiciel, l'infrastructure au sol est encore largement coincée dans l'ancien modèle reposant sur de grandes antennes de pointage mécanique. Les communications par satellite actuelles servent non seulement à l'Internet par satellite, mais prennent également en charge des scénarios clés tels que le positionnement mondial et la navigation, les transactions financières, les prévisions météorologiques, les communications militaires, les interventions d'urgence, les opérations aériennes et maritimes, la télémédecine et l'observation de la Terre. Son importance dépasse de loin la prise de conscience du grand public.
À l'heure actuelle, la grande majorité des données satellitaires doivent encore être « acheminées » via des stations au sol pour accéder à l'Internet étendu, et ces stations au sol s'appuient généralement sur des antennes paraboliques d'un diamètre d'environ 1,8 mètres ou plus pour fournir des « liaisons d'alimentation » à gain élevé. Bien que ce type d'antenne soit puissant en termes de performances, il est extrêmement rigide : chaque antenne ne peut suivre qu'un seul satellite à la fois et doit également être tournée mécaniquement pour suivre les satellites en orbite terrestre basse qui traversent le ciel à environ 28 000 kilomètres par heure. Ce modèle devient de plus en plus un goulot d'étranglement dans le contexte de la prolifération des constellations en orbite basse.
L’équipe de recherche a mentionné que la vitesse de rotation mécanique de certaines antennes satellites de stations au sol actives n’est que de 2 à 5 degrés par seconde. Passer d’un satellite à un autre prend souvent plusieurs secondes, voire près d’une minute. Pendant cette période, la station au sol est dans un état « indisponible », limitant encore davantage la capacité de débit globale. Bien que les réseaux phasés à balayage électronique puissent théoriquement remplacer les antennes mécaniques, le coût et la complexité de l’empilage d’un nombre suffisant d’éléments d’antenne sur un seul réseau pour correspondre au gain d’une grande antenne parabolique sont actuellement trop élevés pour être déployés à grande échelle.
L'idée d'ArrayLink est d'abandonner « l'agrandissement d'un réseau » et d'utiliser à la place plusieurs petits panneaux multiéléments disponibles dans le commerce et de les coordonner en tant que système distribué. Cette architecture peut intégrer jusqu'à 16 panneaux multiéléments, avec une portée de distribution allant jusqu'à plusieurs kilomètres. Chaque panneau a des capacités de liaison limitées. Cependant, après une coordination unifiée, les performances globales ressemblent à une « grande antenne virtuelle », approchant le gain de l'antenne parabolique traditionnelle.
Dinesh Bharadia, l'auteur correspondant du document, a souligné que le goulot d'étranglement fondamental actuel dans l'expansion de la capacité de communication par satellite ne se situe plus dans l'espace, mais au sol. C'est le problème principal qu'ArrayLink tente de résoudre. Il a déclaré que cette solution peut aider l'industrie à étendre l'échelle des stations au sol à moindre coût et à une vitesse plus rapide, et peut même être mise en œuvre via un déploiement « crowdsourcing » : tout propriétaire ou entreprise disposant de ressources sur le toit peut installer le système et transmettre les données satellite vers Internet.
Il convient de noter que l’innovation d’ArrayLink réside non seulement dans l’aplatissement et la distribution des formes physiques, mais également dans l’utilisation approfondie des caractéristiques des canaux spatiaux. En répartissant les panneaux sur une plus grande portée physique, l'équipe a découvert qu'elle pouvait tirer parti d'un effet appelé « MIMO en champ proche » pour former plusieurs flux de données parallèles entre le même satellite et les mêmes stations au sol, améliorant ainsi considérablement le débit.
Dans les liaisons satellite traditionnelles en visibilité directe, chaque antenne de réception « voit » souvent presque le même signal, ce qui rend difficile la réalisation d'un multiplexage spatial. Lorsque l'espacement des panneaux est suffisamment grand, les ondes électromagnétiques incidentes observées par chaque panneau différeront par des paramètres tels que la phase, permettant au système de séparer plusieurs flux de données indépendants des signaux provenant du même satellite. Son principe est similaire à la technologie MIMO couramment utilisée dans les routeurs Wi-Fi et les réseaux de communication mobile, mais elle est amplifiée à l'échelle du satellite.
Selon les résultats de simulation de l'équipe, ArrayLink peut prendre en charge jusqu'à 4 flux de données spatialement parallèles à une distance de transmission de plusieurs centaines de kilomètres, et peut toujours maintenir 2 flux de données à une distance de plus de 2 000 kilomètres. Les chercheurs affirment que par rapport aux systèmes d’antennes paraboliques à flux unique traditionnels, le débit global de cette architecture devrait être multiplié par trois environ.
ArrayLink démontre également une capacité non conventionnelle : il peut non seulement concentrer l'énergie dans la dimension angulaire, mais également réaliser une « livraison en point fixe » d'énergie dans la dimension distante. Les antennes traditionnelles contrôlent principalement la direction du faisceau en modifiant l'angle de pointage, tandis qu'ArrayLink peut contrôler finement la localisation concentrée de l'énergie dans les dimensions angulaires et radiales, ce qui devrait réduire les interférences avec d'autres systèmes satellitaires dans des environnements orbitaux complexes.
Ce système ne reste pas sur le papier. L'équipe de recherche a réalisé des expériences matérielles extérieures dans des conditions de visibilité directe en utilisant des antennes réseau phasées et des plates-formes radio logicielles dans la bande de fréquences de 27 GHz. Les données mesurées sont très cohérentes avec les résultats de l’analyse théorique et de la simulation, qui vérifient dans une certaine mesure le mécanisme physique clé derrière le projet.
Du point de vue de la mise en œuvre technique, ArrayLink met également l'accent sur l'aspect pratique et la mise en œuvre. Sa conception est basée sur du matériel multiéléments disponible dans le commerce. Ces dispositifs sont similaires aux antennes de terminaux Internet par satellite actuellement produites en série, évitant ainsi de devoir recourir à des équipements coûteux et hautement personnalisés « spécifiques au laboratoire », laissant ainsi une voie réalisable pour un futur déploiement à grande échelle.
L'équipe a également proposé une idée très pratique : installer ce type de réseau directement sur la tour de la station de base 5G existante, afin qu'elle puisse « à temps partiel » servir de station au sol par satellite tout en conservant la fonction de communication cellulaire d'origine. Étant donné que ces stations-tours disposent elles-mêmes de conditions de base telles que l'alimentation électrique, le raccordement par fibre optique et la location du site, le coût marginal du déploiement superposé d'ArrayLink sera bien inférieur à celui de nouvelles stations au sol dédiées, ce qui devrait accélérer l'expansion de l'infrastructure mondiale d'accès par satellite.
Actuellement, ArrayLink est encore au stade de recherche expérimentale et n’a pas encore terminé la vérification de bout en bout sur de vrais satellites en orbite. L'équipe de recherche continue d'optimiser la conception du système et d'explorer les moyens de résoudre les problèmes d'ingénierie tels que le contrôle coordonné, la gestion de l'exploitation et de la maintenance, ainsi que la compatibilité avec les architectures de réseaux satellitaires existantes dans les déploiements à grande échelle.
Du point de vue de l'industrie, alors que le nombre de constellations en orbite basse continue d'augmenter et que les capacités des satellites continuent d'augmenter, il est presque inévitable que l'architecture des stations au sol soit contrainte de passer de grands sites « peu nombreux mais raffinés » à un nouveau paradigme de « distribution multipoint et d'expansion flexible ». Si une solution distribuée basée sur un réseau multiéléments comme ArrayLink peut réaliser des percées en termes de coût, de fiabilité et de standardisation, elle devrait fournir une nouvelle forme d'infrastructure réalisable pour les futurs réseaux mondiaux de communication par satellite.